CN101075764B - 中小型水轮发电机的增容改造技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中小型水轮发电机的增容改造技术，它包括定子、转子及其线圈，所述的转子和定子的线圈采用桐马环氧玻璃粉云母带和无漆型涤纶玻璃丝包烧结绝缘铜扁线，增容改造技术包括定子改造技术和转子改造技术。本发明开发F级新的定子线圈绝缘结构，线圈的绝缘层一次整体热压成型，上下边缘向外翻90°边，减少线圈在槽内所占的不必要的空间，减薄转子线圈匝间绝缘厚度。导线的截面可放大10～15％。且其股间的耐压性能比原机组更为可靠，同时具有热稳定性能好、介质损耗低、机械强度高等优点。

Description

中小型水轮发电机的增容改造技术

技术领域

本发明属于水利发电技术领域，尤其涉及中小型水轮发电机的增容改造技术。

技术背景

水电是一种清洁的再生能源。目前国内运行小水电达43000座、装机容量3466万千瓦，而九十年代以前投运的水电站在国内水电总装机容量中占有相当的比例，经过多年运行，设备已陈旧老化，性能指标严重变差，严重影响电站的经济安全运行。电站急需寻找一种投资少、见效快的方法，对机组设备进行增容技改，提高机组的出力和效率，同时解决机组的安全运行问题。发电机进行增容改造后，定子电流和励磁功率相应增大，定转子线圈导体的电流密度增加，发热也增加。因此要使发电机增加后其各项性能指标仍能满足国标的要求，如何增大定子线圈截面和转子线圈的匝数是决定机组改造成功与否的关键。而在定子铁芯槽形和磁极铁芯高度尺寸不能改变的条件下，要增加线圈的截面或匝数必须减少绝缘材料所占的空间。这对发电机增容改造，提出了较高的技术要求。

发明内容

本发明提供一种中小型水轮发电机的增容改造技术，使发电机绝缘等级提高，出力提高和使用寿命延长。

本发明是通过如下技术方案来实现的：本发明包括定子、转子及其线圈，所述的转子和定子的线圈采用桐马环氧玻璃粉云母带和无漆型涤纶玻璃丝包烧结绝缘铜扁线；增容改造技术包括定子改造技术和转子改造技术，

其中所述的定子改造技术为：

(1)定子线圈采用桐马环氧玻璃粉云母带和无漆型涤纶玻璃丝包烧结绝缘铜扁线，线圈匝数相应增加，截面积比原来增大10-15％，同时定子线圈作防晕处理和试验；

(2)定子铁芯在旧线圈拆除后进行清洗烘干，并进行铁芯温升试验，排除局部短路点，合格后定子铁芯内表面喷半导体防晕漆，槽内垫条减薄；

(3)定子嵌线时，绑扎线圈的扎绳，均采用目前大电机上采用的材料和工艺；所述的转子改造技术为：

(1)转子线圈先将旧铝线圈进行无氧退火处理(软化线圈、消除应力和烧尽旧绝缘)→旧线圈冷压整形→同尺寸的新线圈绕制→无氧退火处理(软化线圈和消除应力)→新线圈冷压整形→新旧线圈拼焊→去毛→清理→垫F级匝间绝缘→线圈和上下绝缘垫板整体热压固化→清铲→试验等工序；然后在处理过的旧铝线圈上接新的绝缘材料；

(2)转子线圈与铁芯装配前进行称重搭配，极身绝缘也更换为F级，磁极挂装时，按重量对称布置；斜键打紧后，应保证磁极铁芯与轭面紧贴、线圈压紧，以及转子外园尺寸符合要求；然后进行转子线圈对地耐压试验和交流阻抗试验，最后转子整体校平衡。

作为优选，所述的定子槽内垫条的槽楔下垫条为1.0mm，层间垫条为2mm，槽底垫条为0.5mm，总计垫条高度方向占有尺寸为3.5mm。

作为优选，所述的转子磁极线圈匝间绝缘厚度为0.2-0.22mm。

作为优选，所述的线圈的绝缘层一次整体热压成型，上下边缘向外翻90°边。

本发明的有益效果是：由于改用新的绝缘材料，减薄定子线圈中绝缘扁铜线的绝缘厚度和减薄定子线圈主绝缘粉云母带绝缘厚度，开发F级新的定子线圈绝缘结构，减少线圈在槽内所占的不必要的空间，减薄转子线圈匝间绝缘厚度，导线的截面可放大10～15％，且其股间的耐压性能比原机组更为可靠。确保热稳定性能好、介质损耗低、机械强度高。

附图说明

图1为原发电机中线圈的绝缘层的结构示意图。

图2为本发明中发电机线圈的绝缘层的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：本实施例的中小型水轮发电机的增容改造技术，在原定子铁芯槽形和磁极铁芯高度尺寸不能改变的条件下，重点放在以下几个方面：

●减薄定子线圈中绝缘扁铜线的绝缘厚度。

减薄定子线圈主绝缘粉云母带绝缘厚度。

●开发F级新的定子线圈绝缘结构，减少线圈在槽内所占的不必要的空间。

●减薄转子线圈匝间绝缘厚度。

●开发F级新的转子线圈绝缘结构，改进极身绝缘形式、减薄上下绝缘垫板厚度，以减少线圈在槽内不必要的空间。

1.定子线圈增容技改结构设计特点

适合改造机组的绝缘材料采用9545-1H桐马环氧玻璃粉云母带和DSBEB(无漆型)涤纶玻璃丝包烧结绝缘铜扁线。

DSBEB(无漆型)F级涤纶玻璃丝包烧结铜扁线，是采用GE加拿大公司绝缘导线标准研制的国内最先进的F级电磁线。与普通的双玻璃丝包铜扁线比较，具有绝缘层薄、介电强度高、绝缘附着性和粘合性好、表面光滑均匀等优点。在尺寸上与普通的双玻璃丝包铜扁线比较：

●绝缘厚度原机组使用的双玻璃线为0.3～0.35mm，DSBEB线为0.2mm。

●原双玻璃线表面平整度差，绝缘公差大，因此在规范中规定，每根股线间，高度方向设置0.03mm间隙，宽度方向设置0.2mm间隙。

●原双玻璃线绝缘的击穿电压为大于等于300V，而DSBEB线为大于等于400V。采用DSBEB(无漆型)F级涤纶玻璃丝包烧结铜扁线后，可利用定子铁芯槽较多的有效空间，导线的截面可放大10～15％。且其股间的耐压性能比原机组更为可靠。

9545-1H桐马环氧玻璃粉云母带是由桐马酸酐一环氧树脂胶粘漆，粘合粉云母纸，双面以电工无碱玻璃布补强，经烘焙、收卷、切割加工而成。该产品在常态下具有良好的柔软性。包绕线圈成型固化后，具有特别优异的价电性能和较高的机械强度。耐热等级F级。与八十年代的5438-1璃粉云母带比较，具有介电强度高、热老化和热稳定性能好、介质损耗低、机械强度高等优点。

同时其尺寸方面优势也非常明显。9545-1H粉云母带的介电强度为40MV/m，而5438-1粉云母带为35MV/m，因此原6300V级定子线对地主绝缘须包十层，双边厚度为4.5mm，9545-1H粉云母带只需包九层就足够了，其双边厚度为4.05mm。仅此一项发电机定子线圈导线的截面可放大10～12％。

定子槽内垫条原机组一般设置为：槽楔下垫条为2mm，线圈层间垫条为5mm，槽底垫条为2mm，总计垫条高度方向占有尺寸为9mm。而F级绝缘新规范槽楔下垫条为1.0mm，层间垫条为2mm，槽底垫条为0.5mm，总计垫条高度方向占有尺寸为3.5mm。因此，采用F级绝缘新规范后，发电机定子铁芯槽高度尺寸可多利用5.5mm，这样发电机定子线圈导线的截面又可放大10～15％。

另外定子线圈防电晕层尺寸，原采用0.16mm厚的低电阻半导体玻璃带半迭包一层，其双边厚度为0.6mm。现采用0.08厚的低电阻半导体玻璃带半迭包一层，其双边厚度为0.6mm。从而发电机定子线圈导线的截面又可放大约5％。

发电机定子绕组由于采用了DSBEB(无漆型)F级涤纶玻璃丝包烧结铜扁线和9545-1H高电量的环氧玻璃粉云母带。在新的绝缘规范下，一方面定子槽尺寸得到了充分利用，使导线截面可增加约30％～45％，保证发电机改造后，定子线圈的电流密度与原机组相近；另一方面由于新的主绝缘粉云母带和铜扁线均采用F级耐温绝缘材料，与老机组的B级或E级绝缘相比较，改造后的机组允许长期运行的温度可以高25～30℃，但在实际改造中我们将机组的温度控制在B级绝缘允许的温度以内，给机组留有足够的裕度。

2.转子线圈增容技改结构设计特点

老机组磁极线圈匝间为老式绝缘，其厚度在0.28mm以上，现采用高耐电压的F级绝缘，在保证其耐压性能的前提下，其厚度可减为0.2mm。

(1)原机组磁极上下绝缘垫板与绝缘层11一般为分离结构，即装配时先放入下绝缘垫板，然后放铁芯、绝缘层，再放下绝缘垫板，最后绕线圈。这样绝缘层11与上下绝缘垫板之间就有一条容易爬电的通道，运行年久后，会结灰爬电，磁极的绝缘电阻会严重下降。本实施例采用绝缘层与上下绝缘垫板一次整体热压的先进工艺，此工艺具有线圈整体性好、高度尺寸准确平整、绝缘性能好等优点。

(2)原磁极上下绝缘垫板各约为10mm，其厚度主要为了能保证磁极线圈有一定的爬电距离。本实施例绝缘层的上下边的厚度为3～5mm，其极身对地绝缘将老式的一字形改为U形绝缘，且磁极线圈采用与上下绝缘垫板一次整体热压的先进工艺。U形绝缘一方面消除了原来一字形绝缘极身处线圈与磁极铁芯的爬电通道，同时线圈外侧爬电距离通过采用宽边绝缘垫板或线圈首末加包绝缘的方法增加更多爬电距离。

通过上述方法不但增加磁极线圈的绝缘性能、整体性，同时也减少线圈高度方向所占的空间，使改造机组的转子线圈匝数可增加10％～15％，保证了增容后转子线圈的电流密度和温度与老机组接近。同样转子线圈的匝间和对底绝缘也采用F级耐温绝缘材料，与老机组的B绝缘相比，改造后的机组允许长期运行的温度可以高25℃，但在实际改造中我们仍将机组的温度控制在B级绝缘允许的温度以内。

3.在增容技改中对定子铁芯的处理

(1)老铁芯进行损耗和温升试验，评价铁芯质量，合格后转入下道工序。

(2)若铁芯有松动现象重新压紧。

(3)对有局部短路铁芯的处理。

(4)铁芯绝缘处理。

下面以1250kW发电机增容至1600kW为例作进一步解释：

1.定子改造要点

(1)定子线圈原采用2根3.28×4.4mm铜线绕成，主绝缘为老式醇酸云母带，介电强度低，工艺落后。因该定子线圈原绝缘特别厚，且槽内尚有一定可利用空间，加上新绝缘耐击穿电压高，绝缘层薄，因此可将线圈改为4根2.0×5.1mm铜线绕成，截面积比原来增加37％，保证了扩容后定子温升较为合理。为进一步提高机组可靠性，将绝缘等级从B级提高到F级，同时定子线圈作防晕处理和试验。

(2)定子铁芯在旧线圈拆除后采用专门工艺进行清洗烘干，并进行铁芯温升试验，排除局部短路点，合格后定子铁芯内表面喷半导体防晕漆，槽内垫条均采用导体垫条。

(3)定子嵌线时，绑扎线圈的扎绳，均采用目前大电机上采用的材料，具有绑扎牢固，通风好，美观等优点。定子嵌线后，经绝缘处理。

通过上述方法处理后，使发电机定子绕组的交直流耐压试验，电晕试验等各项指标完全能达到新机组的要求。

2.转子改造要点

(1)转子线原为3.28×35的扁铝排绕制成，共35.5匝，匝间和对地绝缘均为B级绝缘。仅将原匝间和极身绝缘报废，可利用旧铝线。采用F级绝缘材料和新结构增容后，磁极线圈可增加4匝。因此按F级磁极线圈制作工艺，我们将旧铝线圈进行无氧退火处理(软化线圈、消除应力和烧尽旧绝缘)→旧线圈冷压整形→同尺寸的新线圈绕制→无氧退火处理(软化线圈和消除应力)→新线圈冷压整形→新旧线圈拼焊→去毛→清理→垫F级匝间绝缘→线圈和上下绝缘垫板整体热压固化→清铲→试验等工序。

(2)转子线圈与铁芯装配前进行称重搭配，极身绝缘也更换为F级，并采用“U”字和“一”字形复合结构，有效增加了线圈对地爬电距离，避免机组运行长久后内部积灰而造成绝缘电阻下降。磁极挂装时，按重量对称布置。斜键打紧后，应保证磁极铁芯与轭面紧贴、线圈压紧，以及转子外园尺寸符合要求。完工后进行转子线圈对地耐压试验和交流阻抗试验。最后转子整体校平衡。通过上述方法处理后，转子线圈各项试验指标均可按新机组要求进行。

3.铁芯发热情况

铁芯散热好，损耗小，铁芯运行中的实际温度远低于铁芯的允许使用温度值。

如图2所示，磁极线圈的绝缘层1现采用一次整体热压成型，绝缘层上下端有向外翻90°的边2。不但增加磁极线圈的绝缘性能、整体性，同时也减少线圈高度方向所占的空间，使改造机组的转子线圈匝数可增加10％～15％，保证了增容后转子线圈的电流密度和温度与老机组接近。

Claims (4)

1.一种中小型水轮发电机的增容改造方法，包括定子、转子及其线圈，其特征在于其增容改造技术分定子改造技术方案和转子改造技术方案：

所述的定子改造技术方案为：

(1)定子线圈采用绝缘材料为桐马环氧玻璃粉云母带和无漆型涤纶玻璃丝包烧结绝缘铜扁线，线圈匝数相应增加，截面积增大10-15％，同时定子线圈作防晕处理和试验；

(2)定子铁芯在旧线圈拆除后进行清洗烘干、并进行铁芯温升试验，排除局部短路点，合格后定子铁芯内表面喷半导体防晕漆，槽内垫条减薄；

(3)定子嵌线时，绑扎线圈的扎绳，均采用目前大电机上采用的材料和工艺；

所述的转子改造技术方案为：

(1)转子线圈先将旧铝线圈进行无氧退火处理→旧线圈冷压整形→同尺寸的新线圈绕制→无氧退火处理→新线圈冷压整形→新旧线圈拼焊→去毛→清理→垫F级匝间绝缘→线圈和上下绝缘垫板整体热压固化→清铲→试验工序；然后在处理过的旧铝线圈上接新的绝缘材料；

(2)转子线圈与铁芯装配前进行称重搭配，极身绝缘也更换为F级，磁极挂装时，按重量对称布置；斜键打紧后，应保证磁极铁芯与轭面紧贴、线圈压紧，以及转子外园尺寸符合要求；然后进行转子线圈对地耐压试验和交流阻抗试验，最后转子整体校平衡。

2.如权利要求1所述的一种中小型水轮发电机的增容改造方法，其特征在于所述的定子槽内垫条的槽楔下垫条为1.0mm，层间垫条为2mm，槽底垫条为0.5mm，总计垫条高度方向占有尺寸为3.5mm。

3.如权利要求1所述的一种中小型水轮发电机的增容改造方法，其特征在于转子磁极线圈匝间绝缘厚度为0.2-0.22mm。

4.如权利要求1所述的一种中小型水轮发电机的增容改造方法，其特征在于磁极线圈的绝缘层一次整体热压成型，上下边缘向外翻90°边。

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